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Werkstoffkunde 1 (Fach) / Korrosion (Lektion)

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• Korrosion Reaktion eines Werkstoffes mit seiner Umgebung, die zu Veränderungen der Eigenschaften führt
• Korrosionsschäden Beeinträchtigung des Werkstoffes und der Umgebung
• Korrosionsreaktionen chemisch direkter e- Austausch zwischen Reaktionspartnern Bsp.: Hochtemperaturoxidation = Verzunderung
• Korossionsreaktion Elektrochemisch Voraussetzung ist die Existenz eines ionenleitenden Mediums = Elektrolyt e- Austausch erfolgt örtlich getrennt in einer anodischen (e- Abgabe) und einer kathodischen (e- Aufnahme) Teilreaktion Bsp.: Metallauflösung in Säuren =Säurekorrosion
• Korrosionsreaktion Metallphysikalisch kein e- Austausch Bsp.: anlösen oder Auflegieren (z.B. Aufkohlen durch Kohlenstoff-Diffusion)
• Korrosionsreaktion Medium Gasförmig: Heiße Gase - Einflussgrößen: T, Art, Partialdrücke, Atmosphäre Elektrolyt: Elektrolytische Korrosion ist eine elektrochemische Reaktion Einflussgrößen: T, pH-Wert, Salz- und Gasgehalt, Dissoziationsgrad Schmelzen: Salz-, Metallschmelzen können zu metallphysikalischen Reaktionen führen Vor und nachgelagerte chemische Reaktionen bzw. Transportvorgänge in Elektrolyten können die Korrosionsgeschwindigkeit bestimmen
• Korrosionsreaktion Schädigung Ebenmäßiger Angriff: keine Bevorzugung bestimmter Stellen, Messgrößen: Massenverlust, Dickenabnahme, Korrosionsstromdichte Selektiver Angriff: bevorzugter d.h. verstärkter Angriff bestimmter Stellen, bedingt durch ein heterogenes Gefüge, Konzentrationsunterschiede im Elektrolyten; Messgrößen: Schadensbildbeurteilung Rissbildung: quasi-spröde Rissausbreitung in duktilen Werkstoffen; Messgröße: Standzeit
• Wechselwirkung zwischen Elektronenleiter und Ionenleiter Phasengrenze: Metall / ionenleitendes Medium (Metallelektrode) -> elektrische oder elektrochemische Potentialdifferenzen -> elektrolytische Doppelschicht Abbau der Potentialdifferenzen durch elektrische oder stoffliche Ströme -> elektrochemisches Gleichgewicht
• Kinetische Betrachtung der Korrosionsreaktion Die Geschwindigkeit der elekrochemsichen Reaktion ist proportional zur Stromdichte i = I/A Gleichgewichtspotential - Stromlosigkeit Ia= I IK I -> kein Materialverlust Die Hin- und Her-Reaktion durch die Phasengrenze ist ein thermich aktivierter Prozess mit einer Aktivierungsenergie Q - Sie bestimmt die Höhe der Austauschstromdichte: i0=C*n*F*exp(-Q/RT) ia= i0 * exp(α*n*F*η/RT) ik= -i0 * exp(-(1-α)*n*F*η/RT)
• Homogene Mischelektrode Stromdichten (ia,ik) an allen Oberflächen gleich groß Kathodenfläche = Anodenfläche ebenmäßige Flächenkorrosion
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• Stromdichte-Potentialkurve Bei der Aufnahme von Stromdichte-Potentialkurven ist nach außen immer nur der Summenstrom I messbar, sofern: 1. eine homogene Mischelektrode 2. die Gleichgewichtspotentiale genügend Abstand aufweisen-> UR ergibt sich aus: i=0 in UR --> I ik I = ia = ikorr Ruhepotential UR: Potential einer Mischelektrode bei Außenstromlosigkeit
• Korrosionselemente Korrosionselement = heterogene Mischelektrode Aufspaltung der Oberfläche in anodische und kathodische Bezirke mit unterschiedlichen Summenstromdichten Makroelemente: zwei Metalle in direkt leitendem Kontakt -> Kontaktkorrosion Mikroelement: gefügebedingt -> Ausscheidungen, Legierungsverarmung/-anreicherung entlang Korngrenzen Konzentrationselemente: örtliche Unterschiede in Elektrolyt-Zusammensetzung -> Belüftungselement Aktiv/Passiv-Elemente -> Lochfraß, Interkristalline Korrosion, Spannungsrisskorrosion
• Passivierung Bei höheren Potentialen und abhängig vom pH-Wert kann in Konkurrenz zur "aktiven" anodischen Metallauflösung als anodische Reaktion eine anodische Metalloxidbildung erfolgen
• Passivschicht Oxidbildung auf Metalloberfläche in Form einer dünnen Schicht trennt die Metalloberfläche vom korrosiven Medium und kann unter Umständen die aktive Metallauflösung um Größenordnungen (Faktor 106) herabsetzen -> Kathodenfläche in einem Korrosionselement
• Passivierungskurve ia ia kennzeichnet das Elektrodenverhalten eines passivierbaren Metalls, d.h. beschreibt den Übergang vom aktiven in den passiven Zustand durch Angabe von kritischen Grenzpotentialen/Strömen
• Passivierungskurve Aktiv: Bildung einer porösen und nichtleitenden Deckschicht (Grenzstromdichte) Passiv: Bildung einer porenfreien, elektronenleitenden Deckschicht (Korrosionsstromdichte) Transpassiv: Schichtauflösung oder überlagerte Reaktion (Beginn der O2-Entwicklung)
• Kritische Kenngrößen der Passivkurve U= GLeichgewichtspotential der Metallelektrode Upas=Passivierungspotential - bei Überschreiten tritt Passivität ein Uakt=Aktivierungspotential - bei Unterschreiten wird Passivität aufgehoben UD=Durchbruchpotential - bei Überschreiten tritt transpassive Korrosion ein ipas=Passivierungsstromdichte - Aufprägen von ipas erzwingt den passiven Zustand IpRD=passive Reststromdichte - sog. "Leckstrom" durch Passivschicht - erschwerte Diffusion durch Oxid
• Einfluss des pH-Wetes auf die Passivität ipas steigt mit fallendem pH-Wert an -> im sauren Elektrolyten wird die Passivierung stark erschwert ipRD fällt mit steigendem pH-Wert -> ein verminderter "Leckstrom" durch die Passivschicht liegt vor Upas und Uakt verschieben sich mit steigendem pH-Wert in kathodische Richtung -> länger ausnutzbarer Passivbereich
• Einfluss von Chrom auf die Passivität von Stahl Legierungselemente können die Passivierung von Stahl erleichtern -> ipas kann stark abgesenkt werden (Cr, Ni, Mo, Cu) Das bei weitem wichtigste Legierungselement ist Chrom Chrom: erniedrigt ipas -> erleichterte Passivierung erniedrigt ipRD -> höhere Korrosionsbeständigkeit verschiebt Upas und Uakt in kathodischer Richtung ausgedehnter Passivbereich

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